非线性混合效应模型及其在林业上应用

摘要

非线性混合效应模型（Nonlinear Mixed Effects Models，简称NLMEMs）是依据回归函数依赖于固定效应参数和随机效应参数的非线性关系而建立的。它是分析纵向数据、多水平数据及重复调查数据的近代统计学方法，既能反映总体的平均变化趋势，又能刻画个体差异的统计分析工具。近几年，NLMEMs受到越来越多的学者关注，并且被引入到多门学科，如医学、工学、农学及林学等。经过30多年的发展历程，学者已提出了单水平和嵌套多水平NLMEMs的多种参数估计方法，典型的计算软件有SAS和S-Plus。但在实际应用中发现2个问题，一是主流软件SAS和S-Plus计算经常不收敛，尤其是模型中待估参数较多时最为明显，二是现有的混合模型没有包括所有类型的随机效应的组合（例如交互作用，这在林业中是常用的），因而限制了模型的应用。本文的目的在于（1）提出一种收敛性好的计算方法来分析单水平和嵌套多水平NLMEMs；（2）提出一个包括所有随机效应类型的NLMEMs的统一表达式，并且给出一种参数计算方法；（3）完成上述2个算法的程序代码并在ForStat上实现；（4）应用我们的程序解决一个林学上的实际问题，该问题用已有的程序是无法解决的。
　　本研究实现了上述4个目的。具体内容如下：1）根据一阶条件期望线性化—数学期望极大方法（First-order conditional expectation linearization–expectation maximation，简称FOCE-EM）的理论推导出计算单水平和嵌套多水平NLMEMs的计算公式、设计了计算流程。2）本研究提出了一种正态 NLMEMs的标准表达式，它包括了正态 NLMEMs的所有随机效应类型，给出该模型相应的一种参数估计方法，即线性逼近—逐步2次规划算法。3）发现并通过实例说明SAS中mixed模块不能保证随机效应参数方差为非负定矩阵，所以在本文提出采用线性逼近—逐步2次规划算法，同时给出十种方差类型满足正定或半正定的条件，因而算法可以保证不出现类似SAS中的错误。4）模型的标准表达式可以处理固定效应和随机效应参数分级（即数量化问题），并且指出了 S-Plus中nlme函数分级差法计算有缺陷，而线性逼近—逐步2次规划算法克服了此问题。5）首次利用带有交互作用的两因素（林分密度和地位级指数）NLMEMs分析了落叶松树高—直径模型。在此基础上进一步分析了随机效应与海拔的关系。
　　通过本项研究，可以得出以下主要结论：1）本研究提出了一种正态NLMEMs的标准表达式，它包含多种类型的非线性混合效应模型（随机效应参数服从正态分布），例如单水平NLMEMs、逐级嵌套多水平NLMEMs、只含主效应的多因素NLMEMs、包括主效应和交互效应的NLMEMs以及某几种类型组合的一般性NLMEMs等。模型中固定效应参数和随机效应参数可以考虑分级（即数量化）。同时还把正态NLMEMs的标准表达式推广到参数方差与某些因素（称为组变量）有关的NLMEMs（考虑组变量的NLMEMs）。因此模型比传统的NLMEMs表达式更为一般化，具有更广的用途。2）在计算单水平或逐级嵌套的多水平NLMEMs时，FOCE-EM算法与SAS及S-Plus提供的Lindstrom and Bates（LB）算法计算精度非常接近，数值实例表明，至少四位小数相同。但FOCE-EM算法从理论上保证了线性步计算收敛，从而使得该算法计算收敛性明显好于LB算法。3）本研究给出线性逼近—逐步2次规划算法计算一般类型的NLMEMs。为保证方差非负定采用逐步2次规划是必要的。该算法同样也能计算考虑组变量的NLMEMs。4）从计算速度上讲，FOCE-EM算法比线性逼近—逐步2次规划算法要快，因此建议在计算单水平和逐级嵌套多水平NLMEMs时，使用FOCE-EM算法，而计算其它类型的NLMEMs时，使用线性逼近—逐步2次规划算法。5)通过两因素NLMEMs对落叶松树高—直径模型研究得出，考虑林分密度与地位级的交互作用能明显提高模型的预测精度，而且把海拔高度作为组变量时，还可以进一步提高模型预测精度。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

表目录

图目录

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 非线性混合效应模型（NLMEMs）概述

1.3 线性混合效应模型

1.4 非线性混合效应模型算法研究现状

1.5 非线性混合效应模型软件发展进展

1.6 非线性混合效应模型在林业上应用现状

1.7 研究目标与内容

1.8 研究技术路线

第二章 非线性混合效应模型的标准表达式

2.1 符号和标准表达式

2.2 形式参数随机效应构造的类型

2.3 形式参数固定效应构造类型

2.4 形式参数中随机效应分级

2.5 本章小结

第三章 线性化EM算法

3.1 单水平非线性混合效应模型算法

3.2 两水平非线性混合效应模型算法

3.3 线性化EM算法局限性

3.4 本章小结

第四章 正态非线性混合效应模型标准形式的一种算法

4.1 符号与矩阵表达式

4.2 线性逼近—逐步2次规划算法

4.3 考虑组变量的非线性混合效应模型

4.4 本章小结

第五章 2种算法比较及评价

5.1 FOCE-EM算法与线性逼近—逐步2次规划算法比较

5.2 线性逼近—逐步2次规划算法克服SAS，S-Plus主流软件中存在的问题

5.3 本章小结

第六章 非线性混合模型模块使用方法

6.1 数据文件建立

6.2 参数设计和方法的选定

6.3 输出结果

6.4 小结

第七章 应用非线性混合效应模型研究落叶松树高曲线

7.1 实验地域

7.2 两因素且考虑交互作用的落叶松树高—直径模型

7.3 考虑组变量的落叶松树高—直径模型

7.4 本章小结

第八章 结论

8.1 研究成果

8.2 主要创新点

8.3 研究展望

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D

附录E

附录F

附录G

附录H

附录I

附录J

在读期间的学术研究

致谢